Analysis and optimization of advanced configuration for lightweight helicopter rotors

Helicopter design is a quite difficult process due to the system complex nature. The helicopter is a strongly coupled machine with such aspects as performance, safety, vibrations, handling-qualities, all mainly influenced by the main rotor characteristics. Being a low-speed aircraft with a high-speed system as a source of lift and thrust, presents a complex coupled problem from both aerodynamic and dynamic point of view. It’s a big challenge to cover and to engage all of helicopter aspects avoiding critical behavior neglect and poor design description as a consequence of initial simplifications and assumptions of analysis models used. As a consequence of a dynamic analysis for a novel rotor topology, performed with a detailed model at the beginning of this work, were highlighted some interesting aspects of rotor behaviors and performance. These aspects were generally ignored by low and medium-level models and it inspired the idea of an efficient and multi-level computational procedure conceived for preliminary rotorcraft design. In order to cover a large spectrum of requirements it is necessary to consider, from the very beginning, the different aspects and levels of details coming from several disciplines. As a result, a central comprehensive design structure should be used as an efficient solution to involve all the elements managed by a central Process Manager. In this way it limits and optimizes all the resources to satisfy target design requirements. The needs of a central logic force the integrated structure to manage different tools and data in a common setting, shearing information with all the subsystems and tools involved in the process. To develop such a structure and process two main sub-procedures have been developed. Analysis and studies of the present research are focused on lightweight helicopter category as a no complex machine that requires the same attention and the same analysis detail as large helicopter to be efficiently designed. Often small companies are not able to work out projects using expensive tools, and such a disadvantage limits their researching for new configurations. Projects studied in such conditions are generally based on team research or new outsourcing activities launched by big companies with strong multi disciplinary knowhow. (Guimbal Helicopters Company). It’s difficult to create a new comprehensive instrument in a such modest reality. First part of the analysis procedure is based on low-fidelity flight mechanic model created to explore helicopter global performance and to size its general parameters in order to fulfill requirement through a defined design optimization procedure. Second part of the analysis procedure is based on a high-fidelity model tool created to build and analyze any topology of rotor, defined and assembled on frame characteristics received as results from previews optimization design phase. To conclude, a second optimization phase for the analysis of a detailed high fidelity model was implemented. This optimization algorithm was based on an efficient Response Surface Method.

Il "design" di un elicottero è un processo molto difficile a causa della complessità del sistema stesso. L'elicottero è una macchina fortemente accoppiata con aspetti quali le prestazioni, la sicurezza, vibrazioni, qualità di volo, tutti fortemente influenzati dalle caratteristiche principali del rotore. Essendo un velivolo a bassa velocità con un sistema ad alta velocità come fonte di sostentamento e di spinta, si presenta come un problema complesso da trattare accoppiato sia dal punto di vista aerodinamico e dinamica. Rappresenta una grande sfida cercare di coinvolgere e coprire tutti gli aspetti dell'elicottero evitando di incappare successivamente in comportamenti critici carenti come descrizione a seguito delle semplificazioni e le assunzioni semplificative dei modelli utilizzati per l'analisi. A seguito di alcune analisi dinamiche svolte all'inizio di questo lavoro per la caratterizzazione dinamica di una nuova topologia di rotore, l'impiego di un modello dettagliato ha messo in evidenza aspetti interessanti del comportamenti di questo nuovo rotore. Tali aspetti vengono generalmente trascurati dai modelli a basso e medio livello e questo ha ispirato l'idea di definire una procedura di calcolo efficiente e multi-livello per la progettazione preliminare di elicotteri. Per raggiungere questo scopo è stato necessario considerare sin da subito diversi aspetti e diversi livelli di dettaglio per le diverse discipline, al fine di ricoprire un ampio spettro di esigenze. Si è deciso di utilizzare una struttura di "design" centrale che rappresenta una soluzione piuttosto efficiente per far cooperare tutti gli elementi che intervengono nel processo di design sotto la gestione di un "Process Manager" che limita ed ottimizza le risorse in modo da soddisfare i requisiti di progetto. I requisiti di una logica centrale portano la struttura integrata a gestire diversi strumenti e dati in un ambiente comune condividendo informazioni e dati con tutti i sottosistemi o strumenti coinvolti nel processo. Per lo sviluppo di tale struttura e di tale processo sono stati assemblati due principalI sotto-procedure. Principale destinatario di tale ricerca e lavoro è il mondo dell'aviazione leggera dell'ala rotante. La scelta di focalizzare il "testing" e il "tuning" di tale processo su questo tipo di velivoli è motivato dalla relativa semplicità di tali macchine paragonate ai complessi velivoli commerciali e dalla necessità di proporre una valida ed efficacie alternativa progettuale ad un settore generalmente piccolo e con poche risorse da investire in una costosa e completa progettazione del velivolo. Spesso infatti le piccole imprese non sono in grado di elaborare progetti che utilizzano strumenti costosi e risultano limitate per l'esplorazione e lo sviluppo di nuove configurazioni. In molti casi, tali progetti si basano sulle ricerche di grossi team o di nuove attività di outsourcing lanciati da grandi aziende che possono contare su ingenti risorse e un solido know-how (Guimbal elicotteri Company). Una analisi bibliografica dei codici e dei supporti computazionali esistenti fatta all'inizio di questa ricerca, conferma che è prerogativa delle grandi aziende e dei gruppi di ricerca di sviluppare e utilizzare questi strumenti piuttosto complessi. Nello sviluppo quindi di questa nuova procedura di "Design", la prima parte della procedura di analisi si basa su un modello mediamente dettagliato di meccanico di volo con il fine di esplorare le prestazioni globali del dell'elicottero e dimensionarne i parametri generali e globali attraverso una opportuna procedura di ottimizzazione per soddisfare i requisiti del progetto. La seconda parte della procedura di analisi studiata si basa su un modello ad alta fedeltà creato per costruire e analizzare qualsiasi topologia di rotore, definito e montato sulle caratteristiche globali definite nel precedente ciclo di ottimizzazione basate sul modello di meccanica del volo. Con una descrizione dettagliata del modello viene definito un secondo processo di ottimizzazione implementato per il modello alta fedeltà sulla base di dei metodi delle "superfici di risposta" come soluzione efficace ed efficiente in grado di alleggerire il carico e costo computazionale di una modellazione multicorpo.